基于心流体验理论的数字化教育游戏设计研究

杜 晨,崔 向 平,魏 玲,苏 伟

(1.兰州大学 高等教育研究院,甘肃 兰州 730000;2.兰州大学 信息科学与工程学院,甘肃 兰州 730000)

一、引言

近年来,在游戏化学习理念的不断深入影响下,教育游戏在获得广泛关注的同时[1],对教育和学习方式的变革也产生了重要的影响,成为联结教育和游戏的新型教学实践[2]。随着信息技术进步和网络多媒体技术的成长及其在教育领域中的应用,教育游戏与数字技术逐渐融合[3],进入数字化阶段,以数字技术为手段来设计开发的教育游戏就是数字化教育游戏。在此背景下,数字化教育游戏成为教育领域的关注热点之一。数字化教育游戏因其技术优势可以为学生提供更加丰富和真实的视听学习环境[4],更有助于激发学生的学习热情,形成问题意识[5],因此相较于传统的教育游戏具有自身突出的优点。但需要依据合理的设计理论和方法指导才能使数字化教育游戏发挥最优效果。因而,对数字化教育游戏进行科学合理的设计是当前需要解决的关键议题。

目前国外学者关于数字化教育游戏的研究偏重于游戏的应用研究,例如Hoic Bozic Natasa等[6]研究数字化教育游戏在智力障碍学生群体中的应用,确定智力障碍学生群体玩数字化教育游戏应具备的重要特征并根据这些特征评估智力障碍学生是否可以玩游戏; Stefanie Vanbecelaere等[7]人则对数字化教育游戏应用中自适应与非自适应学习的有效性进行了观察,结果显示儿童在认知(语音意识、字母知识、阅读流畅性)和非认知(动机、自我概念)因素方面的表现都有显著提高。国内学者则将注意力较多集中在数字化教育游戏的设计方面,例如于天宝[8]基于激励理论进行数字化教育游戏设计,并开发了数字化教育游戏系统;王雪燕[9]从促进发散性思维发展的角度提出数字化教育游戏的教学设计框架,并提出了数字化教育游戏的软件设计模型。虽然国内学者的设计研究可以为后续相关研究提供借鉴思路,但当前的研究仍有两方面需要加强:一方面,以设计的角度着手数字化教育游戏的相关研究偏少,还有待于进一步丰富;另一方面,当前国内关于数字化教育游戏的设计研究较少以阐述学生心理机制的理论为依据来科学合理地指导数字化教育游戏设计。因此,在国内外相关研究的基础上,本研究试图以心流体验理论为依据,从学生热衷数字化教育游戏的心理作用机制出发,构建数字化教育游戏设计框架,使之丰富数字化教育游戏设计的理论成果,并为数字化教育游戏的设计提供参考和指导。

二、理论整理与文献梳理

(一)心流体验理论

心流体验理论在于阐述个体的心理状态,在教育游戏设计中用来从学生角度说明学生对教育游戏为何如此热衷,是教育游戏设计的经典指导理论之一。心流体验理论由心理学家Csikszentmihalyi[10]于20世纪60年代提出[11],他认为心流就是指人们全身心地专注于某一事情时所产生的忘我的、愉悦的心理状态[12]。当人们达到这种心理状态的时候就会更加主动,注意力高度集中,专心致志地完成特定目标。由于心流触发了积极的情绪体验,因此常被称为心流体验。经过多位学者的相继研究,心流体验逐渐完善成为心流体验理论[13]。心流体验理论包括九个特征:1.明确清晰的目标;2.挑战与技能的平衡;3.及时有价值的反馈;4.意识与行动的融合;5.高度集中的注意力;6.对活动的控制感;7.个体自我意识丧失;8.时间失真体验;9.活动本身具有目的性[14]。

明确清晰的目标说明个体的心流体验更容易在具有明确任务目标的活动中产生。挑战与技能的平衡是心流体验产生的重要条件之一,只有当所从事活动的挑战度与个体的活动水平相当,且双方都维持在较高状态时,才会带来积极的状态,从而产生心流体验。如果个体的技能高于活动的挑战度,个体会产生厌倦心理,而当活动的难度高于个体技能时,个体则会感到沮丧和无助,这两种都不利于心流体验的产生。及时有价值的反馈是指个体在活动过程中获得的反馈,这种反馈可以使个体在活动中更加流畅。个体对活动的整体把握和流畅的活动有助于产生良好的情绪状态,从而促进心流体验产生。这三点主要阐释心流体验产生的前提条件。

意识与行动的融合指心流体验发生后个体意识与活动完全融为一体。高度集中的注意力表明在心流体验之中个体全神贯注于所从事的活动,排除外界干扰因素,注意力高度集中。对活动的控制则强调个体对活动是有自主控制权的,个体有能力对活动进行控制,并且可以明显体会到对活动的控制感。这三点强调心流体验发生时的状态。

心流体验发生之后个体会有什么变化,Csikszentmihalyi阐述了三个方面。个体自我意识丧失并不是指个体失去自己的意识,而是指个体完全沉浸在活动当中时会忽略外界的一切不相关因素,甚至会忽略自身的疲劳感和饥饿感,到达忘我的“状态”。时间失真体验是指个体全身心投入到活动当中时,会感到时间飞速流逝。心流体验很大的特点之一就是个体对活动本身的追求,即把完成活动本身作为目标而不需要将外界其他的反馈或奖励作为目的。

(二)心流体验理论下的教育游戏设计

作为指导教育游戏设计的经典理论之一,以心流体验理论为基础进行教育游戏设计的相关研究非常丰富,例如王卫,史锐涵[15]等依据心流体验理论提出了游戏目标分析、游戏情境创设、游戏玩法设计和游戏元素设计四个阶段的教育游戏设计框架;宋敏珠,章苏静[16]从分析学习动机、心流体验、有效学习环境和教育游戏之间的内在联系入手,构建了一个以创设有效学习环境为取向,通过心流体验激发学习动机的“EFM教育游戏设计模型”,并提出了基于该模型的教育游戏设计理念;国外学者Kiili[17]等依据联想学习理论和情境认知学习理论,提出教育游戏的心流体验设计框架,对依据心流体验设计教育游戏具有一定价值。

通过对文献的梳理可以看出,学界以心流体验理论为指导开展教育游戏设计的相关研究较多,虽未涉及数字化教育游戏的设计,但却提供了可借鉴的设计思路和方法。

三、数字化教育游戏设计框架

在理论整理和文献梳理的基础上,提出基于心流体验理论的数字化教育游戏设计框架,如图1所示。心流体验理论中明确清晰的目标、挑战与技能的平衡和及时有价值的反馈是心流体验产生的基础,也是设计数字化教育游戏的主要依据,只有当这三点满足时心流体验才可以产生。在此基础上,本研究提出目标定位、游戏元素设计、动态难度匹配、游戏任务反馈、获得心流体验和技能提升六个阶段的数字化教育游戏设计框架。每个阶段都包含具体的构成要素和设计方法,从目标定位开始,明确游戏目标和学习任务目标,结合游戏元素的设计,让学生对游戏任务有明确清晰的认识;之后在具体过程中动态性匹配任务难度,游戏任务的难度要与学生自身的技能水平相平衡;然后开始进行游戏,在游戏过程中,教师或指导者要予以实时的反馈,帮助学生了解自己当前的完成状况;在前期阶段都完成之后,学生在游戏中开始产生心流体验,并沉浸在游戏任务中,专心努力完成游戏任务;之后学生的某方面技能开始得到提升,完成一个循环,并根据第一次循环的结果重新定位目标开始新一轮的循环,这样就构成了完整的数字化教育游戏的设计框架。

图1 基于心流体验理论的数字化教育游戏设计框架

(一)目标定位

作为数字化教育游戏设计的初始环节,目标定位主要是为了让学生明确游戏任务的目标和学习内容的目标,包括学习目标定位和游戏目标分析。

1.学习目标定位

从“三维学习目标”到现在指向核心素养的学习目标[18],越来越强调学生的主体地位。学习目标定位应该依据课程标准[19],在对学生特征的总体把握上,设计者将领悟的课程目标、课程基本理念等内涵转化为对学习目标的分块化、阶段化设计,学习目标的定位为游戏目标的设计提供依据。

2.游戏目标分析

游戏目标是在学习目标的基础上规划制定的,是在游戏环境中对学习目标进行再梳理和定位,需要实现教育性和游戏性的相互结合,而不仅仅是简单的游戏与学习内容的叠加[20]。因此,需要依据学习目标对游戏目标进行分析和定位,将游戏目标的阶段化与总体化相结合,在确定每一个小阶段的游戏目标之后,逐步完成对总体游戏目标的构建。BLOCKLY编程游戏很好地将游戏目标阶段化与总体化结合,在整个游戏中有迷宫、电影、池塘等分块内容,每个内容的侧重点都不尽相同,所定位的目标也不一样,每个内容分别有十个关卡作为分块内容的小阶段,对十个小阶段的目标定位逐步指向了分块内容的大目标,各个分块内容的目标共同建构了BLOCKLY编程的总体目标。

(二)游戏元素设计

游戏元素的设计是对整个游戏的通盘考虑,从开始到游戏过程再到最后的结局,可以通过背景故事、大纲、主题和成败[21]等使学生对游戏具有一定程度的构想。因此,游戏的元素设计应该包括故事情节设计、操作玩法设计和游戏的奖惩设计。

1.故事情节设计

故事情节设计主要是根据游戏的任务目标,架构一个有趣的故事情节,将学习内容嵌入到这个架构的故事中。故事要素包括开头、背景主题和游戏大纲[22],开头以简明扼要的话语或旁白的形式向学生介绍游戏的主题,这样可以让学生在短时间内明白游戏的大致内容是什么,比如在WHILE TRUE LEARN游戏中开头解释了是一个关于程序员的游戏;背景主题交代了游戏发生的大背景,让学生对自己的操作和行为以及目标有更加清晰地认知,在BLOCKLY编程游戏中,有一关是关于鸟儿觅食的背景,这样可以让学生明确在这一关将要完成的目标是什么;游戏大纲设计贯穿游戏的全过程,让学生了解游戏的大纲可以使学生更加投入其中。游戏的过程中都包含有情节的要素,游戏的起伏、冲突、转折和高潮都是情节设计需要考虑的要素,情节的设计可以增强游戏的真实性和趣味性,可以通过音效的变化,视觉的冲突对比来对情节加以设计。

2.操作玩法设计

游戏的操作玩法设计用来让学生明确游戏的规则以及自身的规范操作,对游戏规则的清晰解读除了可以让学生对自己的操作步骤更加规范,还可以让学生对某阶段游戏的目标,也就是游戏规则中的成功有更明确的认知,所以操作玩法的设计也可以对游戏的目标起到引导和强化的作用,同时对游戏的剧情也可以起到推导作用。合理的操作玩法设计应该在游戏中有一定呈现,比如在GLADIABOTS编程游戏中,几乎在游戏的每一个关卡中,玩家界面都会有相应的操作玩法提示,而WHILE TRUE LEARN中有部分关卡的操作提示并不是很清楚,就会让学生感觉模棱两可,凭着自己的感觉去摸索。

3.奖惩设计

游戏的奖惩设计是对学生正确操作或者错误操作的反馈,同时也在指引学生某一关卡需要达到的目标,CODECOMBAT作为一款多人线上编码游戏,游戏的关卡总共超过九千关,每一个关卡的操作除了会有相应的语音提示之外,也有成功通过关卡的奖励,例如其中有一个地牢的关卡,成功之后会有经验和等级的奖励以及附加的宝石用于其他关卡,失败会被重新关入地牢中。

所以在数字化教育游戏的设计中对故事情节设计、操作玩法设计和游戏的奖惩设计主要的目的有两个,一是增加游戏的趣味性和吸引力,使学生可以更加沉浸其中;二是可以让学生对游戏任务目标有更加清晰的认知。游戏元素设计这一部分与目标定位一起为学生提供明确清晰的目标,为促进学生心流体验的产生提供第一阶段的基础。

(三)动态难度匹配

Csikszentmihalyi建立的广为流传的三区间心流模型图阐述了挑战与技能平衡的重要性。图中横轴代表学生的技能水平,纵轴代表任务的难度水平,当学生的技能水平比较低而任务难度比较高时,学生会产生焦虑、烦躁的心情;当学生的技能水平比较高而任务难度较简单时,学生会产生无聊、厌倦的心情;只有当学生的技能水平与任务难度相当时,他们的体验会维持在心流通道中,从而产生心流体验。因此在设计数字化教育游戏时,应该使游戏任务的难度与学生的技能相匹配,保持在心流通道区域内,让学生沉浸其中,发挥心流体验的作用。

当学生进入游戏,若游戏任务难度与学生的技能水平相当,学生会进入心流通道;如果游戏任务难度高于或低于学生技能水平,这时就要改变游戏任务难度,不仅要考虑不同学生的技能水平,而且在完成游戏中学生的技能水平是不断变化的,因此游戏的挑战难度必须是动态变化的[23]。如何在数字化教育游戏的设计中动态地调控游戏难度使之与学生的技能相匹配,是设计研究需要考虑的重点问题,首先要判断当前的任务难度是否与学生的技能相平衡,可以从后台数据反馈和多模态智能分析两方面进行考量。

1.后台数据反馈

在进行数字化教育游戏的过程中,学生的操作记录都会在后台数据库中保存下来,因此可以通过游戏平台后台数据监控,实时反映学生当前的完成状况。学生某一关卡的失败次数、完成任务所用时长、在某一关卡停留的时长和目前在游戏任务中的进度等关键指标可以衡量当前的游戏任务难度是否与学生的技能相匹配。一般来讲学生用较短的时间完成某一任务表明此项任务的难度可能过于简单,而用较长的时间完成任务又表明任务的难度可能要高于学生的技能水平;同样,学生在某一关卡的失败次数也可以反映游戏任务难度与学生技能水平的关系,失败频次越低,学生可能会有无聊的感觉,失败频次越高,学生可能会产生焦虑的心情。可以将学生当前失败次数、完成任务所用时长等指标与完成游戏的所有学生相同指标的平均值相比较,高于均值代表当前学生的技能或高于游戏任务难度,低于均值代表学生技能可能低于游戏任务难度。

2.多模态智能分析

多模态是多种感官的融合[24],是人机之间通过文字、语音和动作等进行交互的一种方式,现在计算机视觉、语音识别和生理信息识别等智能技术的成熟,为多模态数据采集和智能分析提供了更加便利的渠道[25],比如生理信息识别中可以对基于眼动、脑电、红外等生理信息数据进行感知和分析;计算机视觉领域中则可以对人的眼睛、嘴巴等面部表情特征进行分析和描述,这些都是依靠智能技术的发展而逐渐产生的。可以将多模态的智能分析融入到学生完成游戏任务当中,通过对学生面部表情的捕获(比如眼动追踪)和肢体动作的扫描,来分析学生在游戏过程中的心理变化。

后台数据反馈和多模态智能分析是用来判断游戏任务难度与学生技能匹配的基础环节,要建立多等级多难度的游戏任务库使之在后台数据反馈和多模态智能分析的基础上为学生匹配与技能相符的游戏任务,让游戏任务难度动态调控更具灵活性和弹性,完成学生获得心流体验第二阶段的准备。当然这个目标的实现需要后台数据反馈系统和智能分析技术的成熟和完善。

(四)游戏任务反馈

数字化教育游戏不同于传统教育游戏的是它以数字技术和多媒体为基础,所以在设计数字化教育游戏时可以充分利用这一优势。对游戏任务的反馈是可以让学生产生心流体验的第三阶段,也就是及时有价值的反馈,必须重视最后这一阶段的作用。可以通过玩家界面的显示和教师的指导反馈来对学生的游戏任务进行反馈。

1.玩家界面显示

这一部分在游戏元素设计中就有提及,对于学生的操作、奖惩都属于在玩家界面显示的内容,比如GLADIABOTS编程游戏中对于步骤操作的反馈。音效、视觉色彩都属于玩家界面显示需要考虑的设计要素,目的在于通过这些要素的设计来传达提示信息,从而为学生提供有价值的反馈。

2.教师指导反馈

无论是传统的教育游戏还是数字化教育游戏,教师的指导和反馈都是重要的,教师承担着信息传导的角色。在数字化教育游戏中,教师不再像传统的教育游戏中那样身体力行地参与到全部学生游戏指导中去,而是可以通过一个总的后台监控系统,结合动态难度匹配阶段的数据反馈和智能分析,对每个学生的游戏状况进行了解之后,针对性地进行指导反馈。通过系统显示那些顺利完成游戏任务,或者对游戏目标的了解和对规则解读比较顺畅的学生,教师可以选择性地给予指导帮助,而那些完成游戏任务比较困难,不清楚接下来怎么操作或者对规则解读不清的学生,教师则需要重点予以指导帮助。

游戏任务反馈阶段最重要的就是为学生提供及时的有价值的反馈信息,这是心流体验产生的最后一个重要条件,在这个阶段顺利完成后学生进入心流通道,产生心流体验。

(五)获得心流体验

在经过目标定位、游戏元素设计、动态难度匹配和游戏任务反馈四个阶段的设计之后,也就是在游戏中学生有明确清晰的目标,游戏任务难度与学生的技能也匹配,并且在游戏中也有及时有价值的反馈,使学生产生心流体验的三个基础前提条件具备之后,学生此时进入心流通道,产生心流体验。这时候学生会排除外界的一些干扰因素,注意力高度集中在游戏任务中,对游戏的任务有自己的掌握和节奏,完全沉浸在其中,从而感到时间飞速流逝,这时候完成游戏任务已经成为自身的追求,因此就算失败学生也会继续进行尝试,直到游戏任务顺利完成。

(六)技能提升

学生通过数字化教育游戏可以提升的技能有两个方面:一是对游戏操作方面的技能,包括对键盘、鼠标等硬件的操作;二是通过完成游戏任务而获得由游戏搭载的知识技能,即认知能力,比如通过CODECOMBAT、SCRATCH等一众编程游戏而提高学生的编程语言能力,通过INFLUENT提高学生的语言学习能力等,以及学生对游戏规则的解读能力,对完成游戏任务而习得的统筹规划的能力,对在数字化教育游戏中应用的增强现实技术等的感知[26],这些都属于学生深层学习的能力,提高学生的认知能力是希望通过数字化教育游戏所要达到的较高一阶的目标。

至此阶段,基于心流体验理论的数字化教育游戏完成一个循环,可以在此阶段之后选择结束游戏,也可以选择根据第一阶段的目标定位重新开始新一轮的循环。

四、结语

本研究从学生热衷数字化教育游戏的心理作用机制出发,以心流体验理论为基础,构建了数字化教育游戏设计框架,并介绍了框架内具体的构成要素和设计方法。数字化教育游戏设计包括目标定位、游戏元素设计、动态难度匹配、游戏任务反馈、获得心流体验和技能提升六个要素,也是六个设计阶段。其中目标定位包括学习目标定位和游戏目标分析,游戏元素设计包含故事情节设计、操作玩法设计和游戏的奖惩设计,动态难度匹配通过后台数据反馈和多模态智能分析进行考量,游戏任务反馈涵盖玩家界面的显示和教师的指导反馈,这四个阶段是游戏设计的关键阶段,之后产生心流体验,并从操作技能和认知技能两方面提升学生的能力,这两阶段与前四个阶段共同构成了完整的数字化教育游戏设计框架。

回顾数字化教育游戏的发展历程,不难看出,技术的确提供了更加丰富的手段和前所未有的机遇[27],但是机遇与挑战并存,我们仍然需要解决“如何科学合理地设计数字化教育游戏”这一命题。心流体验理论下的数字化教育游戏设计从学生心理出发,恰如其分地回答了这一问题,为解决当前面临的问题贡献力量。当然,本研究尚存在诸多不足,其中最重要的是缺少实证方面的相关案例为本研究进行支撑。因此,在今后的研究中将以本研究提出的基于心流体验理论的数字化教育游戏设计框架为指导设计数字教育游戏,从而验证其有效性和适用性。